[发明专利]一种电压不平衡/谐波畸变时双馈风力发电机的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及非理想电网条件下双馈风力发电机的运行控制技术，提出一种电压不平衡/谐波畸变时双馈风力发电机的控制方法，以期降低此类电网故障对风电机组的危害，提高该类机组的稳态、瞬态运行性能和不脱网运行能力。

背景技术

由于我国风电场大多设置在电网较为薄弱的偏远地区，电力传输线较长，风电场公共接入点处电压可能会出现不平衡。而电网的单相、两相接地故障、电气化铁道的单相供电工况、厂矿用大功率拖动变流器所采用的不控整流方式等，均会使得电网电压出现三相不平衡和较大的低次谐波畸变，导致并网运行的DFIG输出功率波动、电磁转矩脉动、输出电流不平衡且谐波畸变等。当电网发生不对称故障时，电网电压三相不平衡。在以电网频率同步速旋转的坐标系中电网电压与定、转子电流均呈现为直流加二倍频交流分量的复合形态。但按理想电网条件下设计的传统比例积分(PI)型转子电流控制器只能对直流量实施无静差控制，而二倍频交流量会因控制增益的下降而无法获得有效的控制，最终会使实际转子电流不能跟踪其参考值，导致双馈风力发电机(DFIG)定、转子电流三相幅值不平衡，定子有功、无功功率及电磁转矩中出现了二倍频振荡，严重影响电网的稳定和危害风电机组的运行安全。若电网电压中还含有低次谐波时，DFIG定、转子电流中会出现较大的谐波分量，造成电网谐波污染；更会因这些谐波电流之间以及谐波与基波电流之间的相互作用，使得DFIG有功、无功功率及电磁转矩中出现成分更为复杂的振荡成分，引起机舱和塔筒振动，影响风电机组使用寿命。因此，电网电压不平衡、谐波畸变故障对DFIG风电机组的危害及相应对策研究是现代风电技术中的热点问题。

近年来，电网电压不平衡、谐波电压工况下DFIG风电机组的运行与控制技术引起了国内外学者的广泛关注，提出了一些有针对性的改进控制方法，如预测电流控制、直接功率控制、滑膜控制、双dq坐标系控制等。但综合来看，已有研究的不足是：

(1)所研究的电网故障工况较为单一，且多聚焦在电压不平衡工况，对电网含有5次、7次等低次谐波分量的复杂工况研究不足，更鲜有文献从电压不平衡、谐波畸变共存条件下DFIG的数学建模角度出发，系统评估该类故障对DFIG机组的影响。

(2)电网电压不平衡及谐波畸变时，DFIG定、转子电流中负序与谐波分量的交互作用，不仅会恶化输出电流波形，还会引起电磁转矩、母线电压的波动，直接威胁到齿轮箱和直流链电解电容器的运行安全。对此，鲜有文献从网侧变流器(GSC)、转子侧变流器(RSC)协同控制的角度出发提出相应改进控制策略。

(3)电网电压不平衡工况下，有学者提出所谓的DFIG风电机组的协同控制方案具有一定工程意义，但所述控制方案中网侧、转子侧变流器电流参考指令的计算严重依赖于电网电压正序、负序分量的准确、快速分离或提取，同时网侧变流器电流指令的计算需要转子侧的功率信息，不利于两变流器的控制解耦，加大了该方案的工程实现难度。因此，对电网电压不平衡及谐波畸变工况下DFIG风电机组的电流指令、控制结构作系统、深度简化，就成为一项富有理论价值、工程价值的工作。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种电压不平衡/谐波畸变时双馈风力发电机的控制方法，通过改进双馈风力发电机网侧变流器、转子侧变流器的控制结构，实现机组运行性能的总体优化，以满足风电并网导则对机组故障穿越运行能力的要求。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种电压不平衡/谐波畸变时双馈风力发电机的控制方法，包括以下步骤：

1.双馈风力发电机(DFIG)的转子侧变流器(RSC)、网侧变流器(GSC)采用完全独立的解耦控制；

2.转子侧变流器(RSC)的控制目标设定为：1)实现DFIG平均有功功率、无功功率的精确跟踪，2)实现DFIG电磁转矩和定子输出无功功率波动成分的抑制，具体实施步骤包括：

2.1将DFIG定子平均有功功率指令定子平均无功功率指令与其对应的反馈量P_s、Q_s之差(误差)送入功率环比例积分(PI)控制器，得到转子电流指令

2.2将步骤2.1得到的转子电流指令与转子电流反馈量I_rdq之差(误差)，送入电流环PI控制器，得到转子基波电压

2.3将双馈风力发电机的电磁功率T_e和定子平均无功功率的反馈量Q_s分别送入转子侧谐振控制器，得到转子谐波补偿电压的d轴、q轴分量，即